哈爾濱地鐵博龍區間既有地下商場結構托換數值計算分析及施工技術

董道海

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518052）

0 引言

將既有人防洞改擴建成地鐵區間是地下工程的難點和熱點之一。目前，已經有越來越多的城市將如何改造利用既有人防工程作為城市軌道交通建設方案的重要課題來研究。然而，盡管我國地下工程施工技術已經有了巨大進步，成功修建了許多難度極大的地下工程［1］，在鐵路及公路隧道方面也有成功的既有隧道改擴建實例，并逐步形成了適合中國國情的完善的施工工法，但對于城市繁華地區既有人防改造擴挖成大斷面隧道施工技術，目前還沒有可以借鑒的實際工程，在國際上也罕見。能否在充分利用現有結構的前提下進行結構改造，是一個需要進行認真研究、探討的問題。城市繁華地區既有人防改造擴挖需分解原隧道的支護體系，如何將已有支護段落按部位進行分解，如何避免因原隧道支護體系相互牽連而引起大面積垮塌，這是擴挖施工的關鍵技術問題。此外，怎樣充分利用原隧道輪廓形成的臨空面，如何在擴挖時有效避免對圍巖多次擾動引起的失穩坍塌，同時盡量減少對臨近建筑結構的影響，也是城市既有人防改造施工的重點［2-3］。

哈爾濱地鐵項目進場后就遇到了一段已經改建成地下四層沉箱結構的既有人防隧道。哈爾濱地鐵項目就此開展了科技攻關，建立了數據模型并進行了計算分析。制定了一套安全、有效的結構托換改造方案和監控量測方案并付之實施。驗證了地下商場托換改造結構分析的準確性和施工方案的可操作性。

1 工程概況

既有商場結構改造托換范圍為博物館站—龍江街站秋林區間地下商業街，全長51 m。既有結構為地下四層沉箱結構，設計將負四層中跨底板及上行線側立柱破除后改造成矩形地鐵區間。改造段橫斷面如圖1所示。

根據現場實測，矩形段負四層底橫、縱梁尺寸均為寬0.8 m，高1.4 m，在下方設置擴大基坑，擴大基坑寬1.8 m，高1.3 m。負四層頂橫、縱梁寬為0.4 m，高0.7 m，其上覆蓋預制板作為中板。除端頭立柱截面尺寸為1.05 m×0.8 m外，其余立柱尺寸均為0.8 m×0.8 m（結構側墻尺寸未知）。平面及縱剖面示意如圖2和圖3所示。

圖1 地下商場改造段橫斷面示意圖Fig.1 Cross-section of renovation section of underground commercialmall

此區間改造是將既有的地下四層商業街的“無梁樓蓋結構體系”，通過鑿除底板及橫梁，再新建“箱型框架結構”進行結構改造托換并與商業街結合。在改造過程中要確保上方秋林區間地下商業街的正常營業及結構的安全。因此，秋林區間地下商業街的沉降控制要求極高。本文借助結構分析的手段，對地下商場托換前后的結構受力特征進行分析，并結合監控量測數據，為現場托換改造的安全實施提供指導。

圖2 地下商場改造段平面示意圖（單位：m）Fig.2 Plan of renovation section of underground commercialmall（m）

圖3 地下商場改造段縱剖面示意圖Fig.3 Longitudinal profile of renovation section of underground commercialmall

2 主體托換結構計算參數及步驟

2.1 結構托換尺寸的確定

地下商場上部三層主體結構主要構件尺寸：立柱為0.8 m×0.8 m的矩形柱，梁采用0.5 m×0.7 m矩形斷面，頂板厚900 mm，中板厚180 mm，側墻為1 000 mm厚混凝土墻。

地下商場四層托換后主體結構主要構件尺寸：梁采用0.5 m×0.7 m矩形斷面，新建縱梁采用0.6 m×0.86 m 矩形斷面，中板厚180 mm，新建頂板厚860 mm，新建底板厚700 mm，上行線右側中隔墻厚450 mm，上行線左側側墻厚600 mm，下行線右側側墻厚1 200 mm，下行線左側中隔側墻厚450 mm。結構兩端設置端頭墻與地鐵區間五心圓隧道相接。

2.2 計算步驟

本文結構計算采用簡化的支承在彈性地基上的立體框架模型，底板下土的抗力用土彈簧模擬［4］。區間內部結構考慮水平及豎向荷載。按荷載情況、施工方法和使用階段不同的受力狀況，取最不利內力進行計算。計算分2步進行：第1步，將上部三層地下商場轉換成作用在底層側墻上的均布線荷載以及立柱上的集中荷載；第2步，模擬托換后的地鐵區間結構的應力分布及位移變化情況，最后通過現場的監控量測數據以反饋托換改造方案的實施情況［5］。

3 數值計算分析

3.1 托換前上部荷載計算

建立地下商場上部三層主體結構的簡化立體框架模型（如圖4所示），其中，立柱橫向間距8.7 m，縱向間距5 m，距離側墻3.9 m，每層高4.3 m。考慮上部結構自身重力，上部結構受到荷載如下：覆土荷載16.86 kN/m2，商場人群荷載4 kN/m2。

圖4 上部結構三維實體模型Fig.4 3Dmodel of upper structure of underground commercialmall

經過結構分析計算得到結果如表1所示。其中，桿件共有96個，工況信息為單工況：恒荷載+活荷載。

表1 上部結構荷載計算值Table 1 Calculation results of loads of upper structure of underground commercialmall

立柱荷載計算結果如表2所示，可將側墻簡化成桿件結構［6］，側墻荷載計算結果如表3所示。

表2 上部結構立柱荷載計算結果Table 2 Calculation results of loads of vertical columns of upper structure of underground commercialmall

表3 上部結構側墻荷載計算結果Table 3 Calculation results of loads of sidewall of upper structure of underground commercialmall

經過結構分析計算可知：底層地下商場受到立柱豎向集中力為2 717.045 kN，側墻豎向集中力為4 003.135 kN。考慮到模型兩邊還有結構分擔一部分荷載［7］，對計算結果進行處理如下：

立柱豎向集中力為：（2 717.045 kN+654.9 kN）/2=1 685.97 kN；

側墻均布線荷載為：（4 003.14 kN+121.7 kN）/20 m=206.242 kN/m。

3.2 托換后結構計算分析

根據地下商場底層主體結構尺寸，建立托換后的簡化立體框架模型如圖5所示。改造后的地鐵區間側墻間距7.94 m，高5.25 m，上行方向洞室寬2.2 m，高3.94 m，下行方向洞室寬2.3 m，高3.94 m，鋼支撐縱向間距5 m。考慮結構自身重力，上部受到荷載為：立柱處集中荷載1 685.97 kN，側墻處均布線荷載206.242 kN/m，商場荷載4 kN/m2。

圖5 托換后結構三維實體模型Fig.5 3D model of underground commercialmall after underpinning

對所建模型進行加載后經過結構分析計算，得到托換前結構的應力分布及變形情況。托換后結構的應力分布情況如圖6所示。

圖6 托換后結構應力分布圖Fig.6 Distribution of stress of structure of underground commercialmall after underpinning

其中，應力最大的構件為行車道側墻底部、新建頂部縱梁［8］。通過對既有地下商場底層結構進行結構計算，得出了既有商場結構在托換前和托換后的應力分布及變形情況。

由此可見：托換前，地下商場的主要受力結構為側墻和立柱；托換后，地下商場下部結構改造成為地鐵區間，荷載發生了轉移，主要受力結構轉變為行車道側墻，較好地實現了托換過程中的荷載轉移。

3.3 托換結構變形計算

托換后結構的變形情況如圖7所示，其中變形最大的構件為新建頂板，變形量為5.7 mm。

圖7 托換后結構位移圖（單位：mm）Fig.7 Displacement of structure of underground commercialmall after underpinning（mm）

4 主體托換施工

4.1 施工工藝

為保證隧道內施工通道的暢通，待矩形段兩端的隧道二次襯砌施工完成后，再施作矩形段。由于隧道施工過程中上方商場仍在正常營業，因此必須保障全過程商場的結構安全。施工時充分利用現有空間和結構，施作新建結構的受力框架（頂底板暗梁、側墻暗柱等），在新建結構的受力框架完全形成后，破除原有結構的受力柱，完善后續工序。

總體施工工序遵循先施工橫梁間結構，再施工橫梁處的結構，分段施工。根據既有結構布置，每結構段長5 m，橫梁間結構段1.8 m長，橫梁處結構段3.2 m長。橫梁間結構的施工工序圖如圖8所示。

橫梁處結構施工以破除立柱為重點，立柱兩側橫梁間結構及邊跨結構施工完成后，支撐腳手架先不予拆除，待混凝土強度達到80%，以便形成新的受力體系后在進行侵入隧道結構部分立柱的破除施工。這時，原有立柱所承受的應力將傳遞到立柱兩側橫梁間結構及邊跨結構上，形成了受力轉換，確保了施工的安全。橫梁處結構的施工工序圖如圖9所示。

4.2 地下水處理措施

本區間設計過程中無地質水文資料，圖紙中未明確降水措施。根據博龍區間改造中施作的降水井觀測，地下水位在120.4 m左右。底板開挖基底進入地下水位約1.6 m，為確保不帶水作業降水的設計高程為底板以下0.5 m，因此需降水位2 m。但根據博龍區間底板的施工經驗，采用大口徑管井降水效果不佳，地下水位無明顯變化。而且采取大范圍降水，將可能造成既有結構的沉降，不滿足設計要求。

圖8 橫梁間結構施工工序圖Fig.8 Sequence of construction of connection section between horizontal beams

為確保矩形段改造施工安全，采取在底板下用小導管注雙液漿形成止水帷幕，然后開挖集水坑進行排水的方式進行降水施工（如圖10所示）。

現場采用TSS型注漿管配套設備，用雙液注漿泵，采取后退式分段注漿工藝進行注漿作業。注漿管徑為42，壁厚3.5 mm，長5 m，用無縫鋼管加工而成，按間距2 m×2 m梅花形布置。采用水泥水玻璃雙液漿，水灰質量比W∶C=1∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶0.5。

經過注漿施工，在底板下形成了止水帷幕，開挖過程中間隔設置集水坑，采用抽水泵明排的方式進行了降水施工。降水效果達到施工要求，有效地控制了結構沉降，達到設計要求。

圖9 橫梁處結構施工工序圖Fig.9 Sequence of construction of horizontal beams

圖10 地下水處理示意圖Fig.10 Groundwater treatment

4.3 托換過程關鍵工藝處理措施

由于該結構托換是在地下四層沉箱結構內將兩側框架結構采用新建結構加固后，將中間部位底板及侵入結構部分立柱、底梁鑿除后重新施作底梁、立柱及框架結構，進而封閉頂板形成新的地鐵區間結構置換原有結構受力體系。故在新舊結構聯接部位、既有結構破除、防水層施作等關鍵工藝處需進行特殊處理。

4.3.1 新舊結構聯結部位處理措施

托換過程中，新舊結構聯接部位主要有新建底板底梁與原有結構底梁聯接部位、新建結構側墻立柱與未破除部分結構立柱聯接部位。

對于該部位新舊結構聯接部位，現場采用首先在原有結構底梁、未破除部分結構立柱上植筋，并將此鋼筋與新建結構鋼筋焊接連接，澆筑混凝土時，同時灌模澆筑的方式，使新舊結構部位結構形成整體受力體系，確保結構受力平衡。

4.3.2 破除方法、保護

由于結構托換過程中地下商場仍在正常營業，為確保結構破除過程中的施工安全，在施工過程中一方面對負三層的地下倉庫采用滿堂紅腳手架進行加固，一方面盡量采用小型破碎錘+人工破除的方式進行結構破除。

在破除結構底板時，由于結構底板較薄且為后期澆筑，現場根據凈空尺寸選用帶破碎錘的PC75型挖機進行底板結構及下方土體的開挖破除工作。

在破除結構底梁和立柱的過程中，現場根據監測數據的變化，采用人工使用風鉆跳段進行破除，并嚴格按照施工方案，在底板、底梁強度達到后方可進行立柱的破除，并盡量加快結構施工進度，確保施工安全。

4.3.3 防水處理

本段防水采用預鋪式合成高分子冷自粘性卷材，其中卷材整體厚度不小于1.5 mm，合成高分子胎基厚度為0.8～1.0 mm。結構具體防水措施如圖11所示。

圖11 矩形段改造結構防水圖Fig.11 Waterproofing of rectangular section of underground commercialmall

防水層基面采用50 mm厚細石混凝土保護層，墊層為150 mm厚的C15混凝土，轉角部位增設1～2層防水卷材加強層。

4.3.3.1 施工方法

1）首先在達到設計要求的陰、陽角部位鋪設加強層卷材，加強層卷材寬度為50 cm。防水層采用單面粘預鋪式卷材，靠近底板墊層及側墻一面為非粘結面（PE面），與結構外表面密貼面為有隔離膜面（粘貼面）。

2）側墻防水層采用機械固定法固定于側墻表面，固定點距卷材邊緣≥2 cm，釘距≤50 cm。釘長≥27 mm，且配合墊片將防水層牢固地固定在基層表面，墊片直徑≥2 cm，厚度≥1 mm；底板除陰陽角等特殊部位需要機械固定外，大面防水層可直接搭接。

3）相鄰兩幅卷材搭接寬度10 cm，將釘孔部位覆蓋住，要求上幅壓下幅進行搭接。

4）底板防水層鋪設完畢，在綁扎鋼筋前，除掉卷材的隔離膜，及時施作50 mm厚C20細石混凝土保護層。側墻防水層應采取臨時保護措施確保防水層不受破壞。

5）防水層破損部位應采用雙面粘同材質材料進行修補，補丁滿粘在破損部位，補丁四周距破損邊緣的最小距離≥10 cm。

6）卷材末端及切口處搭接，應使用專用膠帶封口。混凝土應在防水層安裝結束后40 d內澆筑完成。

4.3.3.2 注意事項

1）基面有明水流時不得進行防水層的鋪設工作。

2）施工時應注意鋼筋的吊裝、綁扎、焊接等工序對防水層的影響，確保不破壞防水層。

3）嚴禁穿孔穿釘鞋施工及硬物穿、刺防水層。混凝土灌注前，應對防水層進行檢查，如有破損，及時修補。必須確認防水層無缺損后方可澆筑混凝土。

4）鋪貼立面卷材防水層時，應采取防止卷材下滑的措施。

5）防水層鋪貼后，嚴禁在防水層上開洞，以免引起滲漏水。

4.3.3.3 鋼筋安裝過程對防水層的保護

防水層質量關乎整個主體結構的整體防水質量，而且在鋼筋施工過程中極易對防水層造成破壞，因此在鋼筋施工過程中應注意加強對防水層的保護，并應采取以下施工措施：

1）底板防水層施工完并檢查驗收通過后及時施工C20細石混凝土保護層。保護層未達到強度前不得堆放鋼筋以及進行鋼筋綁扎。

2）底板防水層的預留搭接部分由于需要向上翻折，因此不會施工混凝土保護層。為避免鋼筋堆放、鋼筋綁扎、焊接以及模板支立過程中造成破損，在防水板上部鋪設一層土工布，作為防水板的保護層。

3）在預留搭接部分的防水層上進行鋼筋接頭焊接時采用薄模板作為擋護工具，避免焊接過程中火花直接飛濺到防水板上。

4）鋼筋綁扎完成后先由鋼筋班長、值班技術人員對防水層進行檢查，如有破損及時進行修補，檢查并修補完成后才可以向監理申請檢查。

5 監控量測措施及分析

5.1 監控量測

為確保托換技術的安全可行性，對本區間改造段托換過程中的結構受力、位移變形、地表沉降等內容進行現場的監控量測，并及時反饋量測數據，為現場施工提供參考。

5.1.1 監控量測項目及監測頻率

如表4所示。

表4 監控量測項目及監測頻率Table 4 Monitoring items and monitoring frequency

5.1.2 主要監測項目監控標準如表5所示。

5.1.3 監測點布置

如圖12所示。

表5 主要監控量測項目監控標準Table 5 Displacement control standards

圖12 矩形改造段內部托換結構監測點布置圖Fig.12 Layout ofmonitoring points of underpinning section

5.2 監控量測結果分析

將結構分析得出的地下結構頂部橫梁的變形量與實際監測的變形量進行對比，如圖13所示。從圖13可以看出：計算得到的既有商場上部結構在托換過程中發生的最大變形為5.7 mm，而實測的變形量為7.3 mm，由各監測點的變形對比可知結構分析能夠較好地模擬地下托換技術對地下結構變形的影響，所得的變形值與監測結果基本吻合。同時，根據《地鐵設計規范》關于結構變形的規定為變形量≤0.003L（L為邊墻和立柱之間的跨度或立柱之間的跨度），該工程立柱之間的跨度為8.7 m，允許的變形量為26.1 mm。實際產生的變形小于《地鐵設計規范》規定的值，故認為托換過程能有效控制上部結構的變形。

圖13 實際監測與結構分析模擬變形量對比圖（單位：mm）Fig.13 Comparison and contrast between monitoring results and numerical simulation results（mm）

6 結論與體會

1）通過本項目對既有地下商場結構托換數值計算的分析和施工過程控制，驗證了在既有地下構筑物下采用托換的方法來改建地鐵區間是可行的。

2）對既有商場結構的托換可以保證路面交通的順暢和周邊商業的正常營業，控制不均勻沉降，托換中采用的必要的結構構造措施是可行而且有效的。監控量測表明，可以有效地控制既有地下商場改建施工過程中上方地下結構發生的變形。

3）本文形成了一套完善的既有地下商場結構托換數值計算分析及施工技術，研究成果的推廣應用，確保了實體工程施工的安全、可控，為今后同類型的工程施工提供了參考。

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